Kill&Repel Graphical Abstract

Kill&Repel-Beschichtungen

06.05.2022

Kill&Repel-Beschichtungen: Die Kombination von Antifouling und bakteriziden Eigenschaften zur Linderung und Behandlung von Wundinfektionen

Manuela Garay-Sarmiento, Wissenschaftlerin am DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien, forscht in Rodriguez-Emmeneggers Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Stealth- und adaptiven Biointerfaces. Derzeit entwickelt sie biokompatible Beschichtungen für Wundauflagen, Pflaster oder vergleichbare klinische Produkte und Anwendungen. Dazu muss die Beschichtung auf die sensiblen physiologischen Bedingungen des menschlichen Körpers zugeschnitten sein. Darüber hinaus verfolgt Manuela den revolutionären Ansatz, diese Beschichtungen mit aktiven Eigenschaften zu funktionalisieren, um Wunden und infektionsgefährdete Verletzungen effizienter und sicherer zu schützen. Dabei hat sie bereits bahnbrechende Ergebnisse erzielen können.

In den letzten Jahren haben Infektionen, die durch arzneimittelresistente Erreger verursacht werden, in allen Teilen der Welt dramatisch zugenommen. Im Jahr 2019 verloren rund 5 Millionen Menschen ihr Leben aufgrund von Infektionen durch multiresistente Bakterien - Experten zufolge könnte sich diese Zahl bis 2050 bereits verdoppelt haben. Ein wesentlicher Grund dafür ist der massive Einsatz von konventionellen Antibiotika. So werden trotz aller Fortschritte bei aseptischen Techniken und dem Einsatz von Antibiotika medizinische Routineverfahren immer riskanter - vom Wechsel eines Wundverbands bis zur Implantation einer künstlichen Hüfte. Ohne die Entwicklung neuartiger und alternativer Ansätze wird die Zahl der Infektionen und der Todesopfer möglicherweise weiter steigen.

Die Problematik
Materialbedingte Infektionen entstehen, wenn sich Bakterien auf der Oberfläche von Medizinprodukten wie Wundverbänden und Implantaten ansiedeln und vermehren können. Erste Forschungsansätze und neue Entwicklungen gehen dieses Problem zwar an, lösen es aber nicht vollständig: Bei Medizinprodukten, die nur mit einer bakterienabweisenden Barriere ausgestattet sind, reicht bereits eine geringe Anzahl von Mikroorganismen, die sich ansammeln können, aus, um eine Grundlage für die Besiedlung mit weiteren Bakterien zu bilden. Andere Beschichtungsansätze setzen bakterientötende Wirkstoffe frei, um eine Besiedlung mit Bakterien zu verhindern.  Nach einiger Zeit sammeln sich jedoch bakterielle Rückstände auf der Oberfläche an, die die wirksame Freisetzung der bakteriziden Wirkstoffe einschränken und so die Funktion der Beschichtung einschränken oder gar vollständig behindern.

Multifunktionale und vollständig biokompatible Beschichtungen
Um ein wirksames antimikrobielles Material zu erhalten, ist es daher entscheidend, eine Oberflächenbeschichtung zu entwickeln, die idealerweise zwei Eigenschaften kombiniert: Sie verhindert das Anhaften von Bakterien und ist gleichzeitig in der Lage, sie abzutöten, wenn sie die abweisende Barriere überwinden. Diese synergistische Kombination könnte einen hervorragenden Schutz vor der Entstehung von Infektionen bieten. Darüber hinaus sollte die Beschichtung idealerweise auch gegen multiresistente Stämme wirken und vollständig biokompatibel sein, d. h. unschädlich für die Zellen oder das Gewebe des Patienten.

Erste Erfolge mit Kill&Repel-Beschichtungen
Wie in der Veröffentlichung in Advanced Functional Materials beschrieben, haben Manuela und ihre Kollegen aus der Forschungsgruppe Emmenegger zusammen mit Biotechnologen aus der Gruppe Schwaneberg eine neuartige Beschichtung entwickelt, die sowohl bakterientötende als auch bewuchshemmende Eigenschaften aufweist. Die Beschichtung zeichnet sich durch eine hohe Biokompatibilität bei gleichzeitig hoher und spezifischer bakterientötender Aktivität aus. Sie besteht aus zwei Komponenten: Die erste Komponente ist ein speziell entwickeltes Protein-Polymer-Hybrid, das eine polymere Bürstenschicht bildet, die verhindert, dass Proteine, Hautzellen und Bakterien an der Wundauflage haften. Sollten die Bakterien diese Barriere dennoch überwinden, ist die Beschichtung zusätzlich mit spezifischen Enzymen ausgestattet, die die Bakterienmembran bei Kontakt zerstören und sie so abtöten. Die Reste der abgetöteten Bakterien werden dann durch das bereits erwähnte Polymer von der Oberfläche abgestoßen. In Laborversuchen konnten die Wissenschaftler die Wirksamkeit bereits nachweisen. Der bakterientötende Mechanismus der Beschichtung ist nach ersten Erkenntnissen auch gegen multiresistente Stämme wirksam und birgt kein Risiko für die Entwicklung von Resistenzen.

Mit dieser innovativen Beschichtung bieten Manuela Garay-Sarmiento und ihr Team einen revolutionären Ansatz für die Entwicklung neuer antimikrobieller Materialien. Ihre Vision ist es, langfristig ein sicheres, nachhaltiges und kosteneffizientes antimikrobielles Material zu entwickeln, das für das klinische Infektionsmanagement vielversprechend ist.  Gleichzeitig würde es zur Eindämmung von Infektionen durch multiresistente Bakterien in der sich verschärfenden Krise der Antibiotikaresistenzentwicklung beitragen.

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Doktorand*in

Manuela Rosario Garay Sarmiento, M.Sc.

T
+49 241 80-23367
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A 1.23b
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Über Manuela:
Während ihres erfolgreichen Biomedical Engineering Studiums hat Manuela bereits viel praktische Erfahrung im Forschungsbereich Biomaterialien gesammelt. Nach Abschluss ihres Masterstudiums unterrichtete sie außerdem Mathematik für Physiotherapie- und Medizinstudenten der FH-Aachen und der medizinischen Fakultät der RWTH-Aachen. Seit mehr als 3 Jahren forscht sie im Rahmen ihrer Doktorandenstelle am DWI.